- Раздел 2 -

Рассмотрим принцип действия АД с точки зрения преобразования энергии в АД.

Из сети потребляется активная мощность . (6) (Здесь - число фаз обмотки статора). Часть этой мощности тратится на потери в стали статора (магнитные потери) и на электрические потери в обмотке статора . (7)

Разность потребляемой активной мощности и потерь в статоре называется электромагнитной мощностью, от неё зависит вращающий момент, действующий на обмотку ротора: . (8)

Часть электромагнитной мощности расходуется на электрические потери в обмотке ротора . (9) и на создание механической мощности . (10)

Если вычесть из механической мощности потери на трение и другие добавочные потери (магнитные потери в роторе, вентиляционные и др.), получим полезную мощность . Расширим формулу для КПД: . (11)

Потери мощности в асинхронной машине можно разделить на три группы: 1) - потери постоянные, не изменяющиеся от нагрузки (механические потери и магнитные матери); 2) - потери, пропорциональные току (электрические потери в щёточной контакте у машин с фазным ротором); 3) - потери, пропорциональные квадрату тока (электрические потери в обмотках). Коэффициент нагрузки машины равен отношению нагрузки машины к её номинальной мощности и при неизменных частоте вращения, напряжении сети и равен отношению действующего тока к номинальному. КПД машины можно выразить так: . Чтобы найти условия, при котором КПД будет достигать своего максимума, приравняем нулю производную этой функции: . Отсюда видно, что при номинальной мощности машина имеет наибольший КПД, если = , то есть при равенстве электрических потерь в обмотках сумме магнитных и механических потерь: = + .

- Раздел 3 -

Рассмотрим процесс пуска АД и его механическую характеристику (см. рисунок 1).

Рисунок 1.

В момент пуска АД скорость вращения ротора , и скольжение . По отмотке ротора начинает протекать ток, частота которого сначала равна частоте тока статора, но с уменьшением скольжения уменьшается обратно пропорционально ему: . По обмотке ротора протекает пусковой ток, в несколько раз больший номинального. Его стремятся уменьшить для уменьшения электрических потерь в обмотке ротора и для избегания перегрева в ней же.

Одним из способов уменьшения тока является пуск двигателя при пониженном напряжении, подаваемом на обмотку статора. Так называемый пуск звезда-треугольник (У/Д). (См. рисунок 2). Допустим, номинальное фазное напряжение обмотки статора 380 В. При этом обмотка статора соединена в звезду. Если же обмотку статора соединить в треугольник, при том же фазном напряжении сети (220 В) фазное напряжение на обмотке будет уже в раз меньше, т.е. 220 В.

Рисунок 2.

Однако пуск звезда-треугольник не всегда можно применить, и вот по какой причине. Двигатель должен иметь достаточный пусковой момент. Обычно он на 10-30% больше номинального. Так как момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату напряжения , даже небольшое снижение напряжения приводит к достаточно сильному уменьшению момента. (Например, уменьшая в раз фазное напряжение обмотки статора, мы уменьшаем в 3 раза момент, развиваемый двигателем).

Продолжим рассмотрение работы АД. АД «движется» по механической характеристике влево, пересекает точку критического скольжения (когда момент максимален), затем момент уменьшается до номинального.

Рассмотрим, как будет вести себя АД при уменьшении или увеличении нагрузки на валу.

Допустим, нагрузка увеличилась. Это значит, что вырос момент сопротивления, и двигатель должен развивать бо́льший вращающий момент для его преодоления. Точка работы двигателя сместится по механической характеристике вправо, в область бо́льших скольжений. Увеличения скольжения означает бо́льшую разность скоростей магнитного поля токов статора и вращения ротора. Это в свою очередь означает что в обмотке ротора будет наводиться бо́льшая ЭДС, частота которой, кстати, увеличится пропорционально скольжению. Вместе с увеличением момента увеличится электромагнитная мощность ( ). Так же увеличатся токи, протекающие по обмоткам статора и ротора. Увеличится потребляемая из сети мощность. Из-за повышенных токов возрастут потери, и уменьшится КПД машины. Из-за возрастания величины потребляемой активной мощности и при практически не изменившейся потребляемой реактивной мощности возрастает коэффициент мощности .

При уменьшении нагрузки всё будет наоборот.

Стоит помнить, что при уменьшении или увеличении нагрузки не меняется механическая характеристика машины, а точка работы смещается по ней влево или вправо.

Рассмотрим, как будет вести себя АД при введении в цепь ротора добавочных сопротивлений. Как можно видеть из рисунка 3, при введении таковых меняется механическая характеристика машины – растягивается вправо.

Рисунок 3.

Взглянем на выражение для механической характеристики:

. (12)

Здесь символизирует активное сопротивление обмотки ротора. Для определения критического скольжения производную выражения механической характеристики приравнивают нулю: . Решением этого уравнения будут 2 корня (один для двигательного режима, другой – для генераторного) . (13)

Отсюда видно, что критическое скольжение тем больше, чем больше активное сопротивление роторной обмотки (и сопротивление добавочных резисторов) и не зависит от поданного напряжения питания, а определяется лишь параметрами индуктивных и активных сопротивлений асинхронной машины.

Добавочные сопротивления в цепь ротора могут вводиться для увеличения пускового момента, уменьшения пускового тока и для регулирования скорости вращения ротора путём смещения рабочей точки.